毕业论文-城市电网风险评估研究.doc

. . 装订线. . . 山东农业大学毕 业 论 文城市电网风险评估研究 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气5班 届 次 2015届 学生姓名 学 号 9 指导老师 二一五年六月六日21目 录摘要1Abstract21 绪论31.1 研究背景及意义31.2 国内外研究现状41.3 本文的主要研究内容52 电力系统风险评估52.1 风险的基本概念52.2 电力系统的风险评估62.2.1 停运模型72.2.2 状态的选取方法82.2.3 风险指标92.3 风险评估的优点103 城市电网风险评估方法103.1 状态持续时间抽样法113.1.1 状态持续时间抽样法步骤113.1.2 算例分析123.2 熵权法143.2.1 获取风险指标143.2.2 算例分析163.3 表格法173.3.1 获取风险指标173.3.2 算例分析184 结论18参考文献20ContentsAbstract1Abstract21 Introduction31.1 Background and Significance31.2 Research status41.3 The main contents of this article52 System Risk Assessment Power52.1 The basic concept of risk52.2 Risk assessment of the power system62.2.1 Outage Model72.2.2 Selection Method status82.2.3 Risk Indicators92.3 Advantages risk assessment103 City Power Risk Assessment103.1 State the duration of sampling113.1.1 State the duration of the sampling method step113.1.2 Cases Operators123.2 Entropy Law143.2.1 Get Risk Indicators143.2.2 Cases Operators163.3 Tabular method173.3.1 Get Risk Indicators173.3.2 Cases Operators184 Conclusion18References20ii城市电网风险评估研究翟大力（山东农业大学 机械与电子工程学院 泰安 271018）摘要：城市电网是国家电网的重要组成部分，是大电网与用户之间的接口，它和人们的生活有着非常密切的联系，所以保证城市电网的稳定安全运行是很重要的。 本文以风险原理为基础，提出对城市电网进行运行的风险评估，并对城市电网运行风险评估的不同方法进行研究。实现了实时和对未来不同负荷状态不同运行状态下的电网风险量化评估，同时给出辅助决策信息。 本文基于状态枚举法和分析对比蒙特卡洛模拟法，结合城市电网的实际状况，采用状态枚举法进行风险评估。在建立元件停运模型的时候，与设备状态评估相结合，使元件模型与实际情况更加复合。对电网进行静态安全分析时，考虑到城市电网中自动装置动作的情况，从而使分析结果更合理。关键词: 城市电网 状态枚举法 蒙特卡洛模拟法 运行风险评估 检修计划The city grid risk assessment studyDali Zhai(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018)Abstract Urban power network is an important part of the national power grid and is the interface between the user and the grid. It has a very close relationship with the lives of citizens, so to ensure the safe and stable operation of urban power network is very important.This paper, based on the principle of risk, assesses the risk of operating urban power grid, as well as develops the urban power grid risk alarm and auxiliary decision system, and assesses the operation risk of a certain urban area grid. The paper successfully realizes the real time and risk assessment for power network under different load state and provides assistant decision information.Based on the state enumeration method and the analysis and comparisonMonte Carlosimulation, combining the actual situation of urban power network, the paper uses state enumeration method for risk assessment. When establishing the component of outage model, the state evaluation of the equipment should be considered to make the component model and the actual situation more complex. When analyzing the static power network, the action of the automatic device in the city is considered. As a matter of fact, the results are more reasonable.Keywords: urban power network; state enumeration; Monte Carlo simulation; running risk assessment; maintenance plan211 绪论1.1 研究背景及意义 近几年来，伴随着工业和经济的发展与增长，电力系统也有了新的发展。“大机组、远距离、高电压、新技术、大容量”是当代电力系统发展的趋势。当代电力系统的系统容量和设备容量都越来越大，系统的电压等级也越来越高，以地区间电网相互联系为目的的高压、特高压输电技术和灵活交流输电技术等众多新技术逐步应用到电力系统当中。由于以上这些因素的影响，从而使电力系统的规模越来越大，结构更加复杂。复杂的电力网络的形成，确实大大的提高了系统的运行效率，但同时也使系统运行的不确定性增加了，导致系统扰动影响的范围更大，系统事故产生的后果也更严重。 近年来，国内外大范围停电事故多次发生，从而引起了国内工业、学术界的密切关注。1996年7到8月，美国西部连续发生了两次大范围停电事故，中断了美国西部11个州400多万人的电力供应。2003年8月，美国-加拿大电网发生了大范围停电事故，涉及了超过5000万人口的供电范围，成为美加历史上范围最大的停电事故12。除此之外，2003年夏秋接连发生了英国伦敦大规模停电事故、瑞典-丹麦大规模停电事故、意大利全国大规模停电事故等多起重大型停电事故。2005年5月莫斯科的大型停电事故波及25个城市，停电时间长达29个小时，影响到了约150-200万人的正常用电 34。我国也有过这方面的惨痛经历， 2005年9月我国海南省发生电网崩溃造成大规模停电。2006年7月，我国河南省五百千伏嵩郑两回线路跳闸，造成豫中、豫西地区部分220千伏线路过载跳闸，影响了正常供电。这些大规模停电造成了巨大的经济损失和社会影响，引发了世界各国的广泛关注，同时也引起了我们对电网安全运行重要性的深入思考。 时至今日，我国的电力系统已逐步发展成为一个超大规模的复杂系统，进入了大电网、大机组和高电压的时代。电网规模一步步扩大，全国联网的格局也基本形成，东北与华北、华中与华东、华北与华中、华中与南方、华中与西北电网都已经实现了互联。但是，任何事情都是有利又有弊的，在超大规模的电力系统虽然给社会和人民的生活带来了巨大利益，但同时也潜存着巨大的风险。就我国当前电网来说，还存在以下问题5:(1)电网建设长期滞后，近几年来我国虽然加大了对电网建设的投入，实施了城乡电网改造等电网建设工程，但是由于用电增长太快，电网建设依然不能满足用户需要。(2)我国正处于全国电力联网初期阶段，各个网络的联系要经过一个由弱到强的过程，交流电弱联系系统的安全稳定问题非常突出，在某些运行方式下可能引发低频振荡。(3)电磁环网问题对输电能力的发挥有一定的影响。有部分电网500kV网架薄弱，在保证电网可靠性的情况下，只能采用500 kV与220 kV电磁环网运行，从而使输电断面的稳定性水平大大降低，导致500 kV电网不能充分发挥其应有的效益。(4)电网的无功补偿容量不足，并且没能实现分层分区平衡，从而市电压质量受到影响，导致部分电网电压的波动幅度较大。(5)负荷中心电源支撑不足，受端电网的有功和无功都不充足，从而使电网的安全运行受到了影响。(6)二次系统存在安全隐患。由于我国电网一次系统较为薄弱，相应要强化二次系统才能保证电网安全。因此，电网安全对二次系统可靠性的要求较高，且依赖性较强，二次系统一旦出现问题，容易造成电网事故。(7)电网安全运行受到外力破坏的威胁。据统计，城市中70%的输电设备故障是由外力破坏造成的。(8)部分装备质量不高，在一定程度上影响了电网的安全、可靠、高效和灵活运行。由于以上的这些因素，致使电网运行存在很大的不安全性。因而，开展更多电力系统安全防御领域的工作是非常有必要的。通过对电力系统的安全分析，能够全面、及时地找到电力系统的脆弱点和薄弱区域，从而进一步提出防御和改进措施，进而有效地防止电力事故的发生和扩大。电力系统安全的评估方法已逐步成为业内工作、技术人员关注的研究方向。1.2 国内外研究现状国内外学者很长时间以来就开始了对电力系统安全评估领域的研究，从20世纪60年代起，经历了大致三个阶段:传统的确定性评估方法6、概率性评估方法7和风险评估方法8出现得最早的是确定性评估方法，研究成果也已经非常成熟，在电力工业中早已运用的非常广泛。这种方法是在预期故障发生的情况下，研究电力系统的可靠水平。常用的系统N-1或N-K安全性检验，就是这种方法。即当任意一个电气元件(如发电机、变压器、线路)退出运行时，分析系统状态，检验系统是否发生越限等现象9。这一方法的判断逻辑是，如果系统能够在这些状态下正常运行，那么系统在严重程度较低的运行状态下都应能安全可靠的运行。这种方法是在给定系统的参数、拓扑、运行及扰动方式等情况下对电网进行安全性评估，没有考虑其他不同的运行条件和可能发生的事故，对事故的选择也有一定的任意性。由于该方法大部分情况下只重视最严重的事故，往往使得评估结果过于保守。概率性评估方法是通过元件故障和修复的历史统计值，计算得到系统和节点运行的参数变化区间和风险指标，进而给出一个较为全面和客观的对系统的可靠性的评价。概率性评估方法克服了确定性评估方法的不足之处，但对于不同事故所造成的后果的严重程度往往不能加以区别，即不能考虑到事故造成的经济损失，经济与安全两者之间的关系没有得到很好的协调。风险评估方法是近年来在电力系统专业中提出的一种新方法，是基于确定性评估方法与概率性评估方法的发展与提升，针对这两种方法中存在的不足，风险评估方法从风险的角度来评估系统的安全问题，将事故发生的概率与其导致的后果相结合，定量地反映系统的安全性。得到的风险指标对事故的结果加以具体指标的量化，从而客观直接的反映了发生故障的概率和发生故障的严重性。风险指标可以同各种不同的安全指标或者经济指标相结合，反映不同类型的风险，从而满足不同的需求。1.3 本文的主要研究内容本文的主要研究内容分为理论和实践两个部分。理论部分:基于对电力系统风险评估的全面论述，本文对以下问题进行深入讨论: (1)电力系统运行安全评估的发展历程。 (2)将运行风险评估的概念引入，并对其进行详细的介绍。 (3)介绍对城市电网进行运行风险评估的思路。实践部分:基于上述理论部分对某城市电网进行运行风险评估。所要做的主要工作有: (1)采用IEC61970接口技术，在线读取静态参数和动态数据，真正意义上实现全过程免维护的网络建模，重现电网模型。 (2)在元件停运模型的建立方面，结合对设备状态的评估，引入设备健康因子，使元件停运模型与电网实际情况更加符合，所给出的风险指标更加具有指导性。 (3)比较状态枚举法与蒙特卡洛法的优缺点并进行分析，结合城市电网运行风险的评估特点，进而采用状态枚举法进行风险评估。 (4)针对城市电网的运行特点，在风险评估分析中模拟备自投与主变过载联切装置的动作逻辑，因而保证分析结果与电网实际情况一致。 (5)采用完整的风险指标体系，从而更加全面的显示出系统的运行状态。最后的计算结果采用数字指标、图形、曲线等直观的方式来展示，使用概率分布、曲线棒图、薄弱点等形式将数据表现出来，显著提高了数据的直观性。 (6)基于短期负荷预测，对检修方式进行风险评估，实现日、周、月的检修计划的循环校验，同时根据风险评估结果来划分风险等级标准。（7) 负荷转供决策和提供预案两种方法辅助电网工作人员对电网故障进行应急处理。2 电力系统风险评估2.1 风险的基本概念风险是指在现实中客观存在的，不以人的意志为转移的，贯穿人类征服自然和改造自然的全过程，并随着生产力的发展变化而不断改变的遭受损失的可能性10。风险的存在受到其所处的客观环境及时空条件的影响，涉及到经济、政治、自然科学、社会科学等多个领域。要做好风险评估的基础工作必须要正确认识风险的特点，风险具有一下特点11： (1)风险的存在具有客观性。风险是不以人的意识为转移、独立于人的意识之外客观存在的，人们只能采取风险管理办法降低风险发生的频率和损失程度，但是并不能彻底消除风险。 (2)风险的存在具有普遍性。人类生产、生活的各个方面都有风险存在，而且伴随着科学技术和社会经济的发展，更多新的风险也在不断产生，同时风险对人们造成的各种损失也越来越大。所以风险的存在具有非常广泛的普遍性。 (3)某一风险的发生具有偶然性。虽然说风险是客观存在的，但若就某一具体的风险来说它的发生是一种随机现象。例如某些自然灾害，必定会发生，但人们并不能准确预测，这也就体现了其偶然性。 (4)大量风险的发生具有必然性。虽然个别风险事故都是偶然发生的，但大量风险事故的发生则是一种必然现象，而且往往具有明显的规律性。风险管理学正是通过运用概率论和大数法则分析大量独立的偶然发生的风险事故，从而比较准确地反映风险发生的规律性。 (5)风险具有可变性。风险可以在一定条件下进行转化，在一定条件下可以将一些风险消除，但同时也会有新的风险产生。2.2 电力系统的风险评估电力系统的运行有很多不确定因素的影响，每时每刻负荷都在不断地发生变化，系统中设备随机产生的故障通常超过人力所能掌控的范围，例如事故的发生、继电保护装置的误动、断路器的误动作等。国内外的大规模停电事故也进一步证实了电力系统中确实存在很多不确定因素，而且这些不确定因素会导致局部甚至大面积的停电事故，从而造成巨大的经济损失，给用户们带来诸多不便，同时会给社会的发展造成很多不利影响。另外，用户对电力系统的了解也越来越多，人们已经认识到，100%的连续供电，毫无停电风险的电力系统是很难实现的。但是人们有权知道有关风险水平的信息:例如可能遭遇到的停电事故平均发生的频率、严重程度及持续时间等。所以将风险理论引入电力系统来进行评估，全面及时地找到电力系统的脆弱点和薄弱区域，进而提出预防和改进措施，能够有效地抑制事故扩大。在工程领域中，风险理论是考虑系统中的不确定因素，将导致事故的发生可能性和该事故的严重程度相结合的一种理论。按欧洲机器安全规范标准，风险评估是指采用一系列的逻辑步骤，使安全工程师和设计人员能以系统的方式检测由于设备故障而引起的事故，从而采取合适的安全措施。电力系统风险评估就是根据电力系统运行中所面临的各种不确定因素，对其发生的可能性与发生的严重性来进行综合度量。其计算公式为: (2.1)式中Xt,f为t时间的运行方式;Xt,j为第j个可能的负荷水平;Pr (Xt,j|Xt,f)为;t时间出现Xt,j负荷水平的概率;Pr (Ei)为第Ei个扰动出现的概率;Sev(Ei,Xt,j)为第j个负荷水平下第i个扰动发生后系统的严重程度。电力系统风险评估是按照电力系统状态分析的性质，可以分成系统安全性评估和系统充裕性评估两方面。安全性表明电力系统对动态扰动和暂态扰动地响应能力，因此需要对电力系统中出现的扰动及扰动产生的后果进行评价，安全性评估通常要进行动态、暂态或电压稳定性的分析。充裕性则表明电力系统设施能否满足电力系统运行中的约束条件和用户的负荷需求，因而充裕性仅涉及到系统中的稳态条件，而不需要进行动态或暂态分析。电力系统风险评估按照其具体的任务来分，又可以分成元件级风险评估、系统级风险评估和以风险评估为基础的决策优化三大类。电力系统风险评估通常包括以下四个方面的内容12: (1)确定元件停运模型; (2)选择系统的状态和计算他们的概率; (3)分析所选择状态的结果; (4)计算风险指标。2.2.1 停运模型风险评估工作的基础是建立元件的停运模型。电力系统是由大量的发电机、电缆、架空输电线路、变压器、隔离开关、断路器等设备组成的，元件停运是系统失效的最根本原因。元件停运通常可分成独立停运和相关停运两大类。 (1)独立停运按元件停运性质可分为强迫停运、半强迫停运和状态检修停运;按其失效状态又可分为部分失效和完全失效。其中强迫停运一般分成可修复失效和不可修复失效;半强迫停运指的是电力系统元件故障引发的一种可延迟停运，这种停运的原因与强迫因素有关，不能预先安排，比如电缆或变压器漏油，通常不会立即导致失效，但是需要在一定的时间里停止运行处理故障。部分失效是指失效不是特别严重时，一些元件例如发电机组、高压直流输电线路等，还可以在降额状态下运行。另外，还应当考虑多重停运的模式;如果元件已经接近使用寿命期限，还应该包含元件由于老化而失效的元件老化失效模式。 (2)相关停运共可分为元件组停运、共因停运、连锁停运、电站相关停运及环境相依失效五种情况。一个停运状态会包含有一个以上电气元件的失效是这五种相关停运模式的共同特点。涉及多个电气元件的相关停运的概率远远大于这些元件同时独立停运的概率。所有的相关停运通常都比独立停运时产生的后果更严重，历史上的大型停电事故都与相关失效事件有关。大部分情况下，只计及可修复的强迫停运。其数学模型为: (2.2) (2.3) (2.4) (2.5) (2.6) (2.7) (2.8)式中为失效率(失效次数/年);为修复率(修复次数/年);MTTR为平均修复时间(h);MTTF为失效前平均时间(h); f为平均失效频率(失效次数/年);U为平均失效概率。在大部分情况下，只计入元件的可修复的强迫停运。此外，由于维护、更换、整修或某种运行上的具体要求等原因，可能有需要安排计划停运，可以把计划停运看做是发生在预订时段上的计划安排的事件，来对电气元件的计划停运情况进行模拟。发电机组常使用两态或者多态模型来模拟(其中多态指两态情况下计入降额状态)。通常在一组母线上会有不止一台发电机，可建立每台发电机母线的发电容量概率表，通过枚举这个表中的发电容量的概率来代替枚举一台发电机的状态概率。输电元件都包含有电缆、架空线路、变压器、电抗器和电容器等。这些元件常用两态模型来模拟。对于同一线路走廊的多回架空线路或受同一保护逻辑所控制的一组电气元件，通常用共因停运的模型来表达。用元件组模型来模拟输电线路中分支连接结构。另外，环境相依停运、电站相关停运和连锁停运全都可以根据具体的要求来进行模拟。若要考虑电力系统中元件的寿命产生的影响，则应在评估中加入元件的老化失效模型。元件停运模型的准确度对整个风险评估工作有着非常大的影响。所以，国内外众多学者在电气元件停运模型方面做了大量的研究工作。文献13通过传统的可靠性统计方法来确定电气元件的停运模型。受到美国大规模停电事故的影响，最近研究人员们在安全评价过程中开始将外部环境对元件故障概率的影响考虑进来。文献141516更深入的研究了外部环境对于电气元件的影响，将电气元件故障可能性处理成为随机模糊数，以可信性理论为基础计算随机模糊数的期望值。因为运行风险评估考虑的时间跨度比较短，所以元件的实时状态是在建立元件停运模型时必须考虑到的。2.2.2 状态的选取方法第二项关于风险评估的工作是选择系统的失效状态并计算其概率。对于简单系统，有网络法、状态空间法、故障树分析法三种方法。网络法是较早使用的一种计算电力系统可靠性的方法，其主要针对由两状态元件组成的系统，按照逻辑的串联、并联关系来分析电力系统的可靠性。状态空间法是将电力系统用其状态与状态之间的转移来表现，同时求得系统的可靠性指标，相比于网络法，状态空间法更加具有灵活性和一般性。故障树分析法在实质上是网络法的一种拓展，其优点是能够阐明系统中各元件和子系统级故障间的相互关系，快速的发现系统中的主要故障和其薄弱环节，对于复杂系统故障的分析时，故障树分析法能更好的发现用其他方法不能够鉴别出来的故障组合，整个算法更加直观，容易理解。对于大型系统的风险评估，一般来说，状态选择方法主要有两种:状态枚举法与蒙特卡洛模拟法。状态枚举法将电力系统元件的故障参数作为依据来建立电力系统可靠性数学模型，通过数值计算来获得系统的各项指标。其数学公式如下: (2.9)式中:P(s)是状态s下系统的概率;Pi和Qi分别是第i个元件工作和失效的概率;N是系统中的元件数;Nf和N-Nf分别是状态s中失效和未失效的元件数量。正常状态时，所有的元件都在工作，Nf=0，则公式变为: (2.10)所有枚举的电力系统状态都是互斥的，所以系统的累计失效概率是全部失效状态概率之和，即: (2.11)式中，P(s)是状态s下系统状态的概率;G是所有失效状态的集合。状态枚举法模型精度高，物理概念清晰，对于元件数较少或低失效率元件的电力系统更为有效。因为电力系统状态的数目随系统内部元件数目的增多而成指数增长，所以对于很大的系统，要检测所有状态，计算量将会非常大。因而，在实用当中可以采用一些减少计算量的技术。一种常用的方法是将枚举在某个给定的层次上终止，这种层次常以失效的阶数来表示，一阶失效是指只有一个元件失效的状态，二阶失效就是两个元件失效的状态，以此类推。另一种可用的方法是规定一个足够小的电力系统状态概率门坎值，若系统状态概率小于这个门坎值则忽略不计。蒙特卡洛模拟法又叫做随机抽样法，是一种基于概率和统计理论法的计算方法。它是在计算机上用与元件相对应的随机数来表示系统中每一个元件的概率参数，从而模拟电力系统的实际情况，通过观察模拟过程所进行的时间，估算所要求的指标。其基本思想是为求解物理、数学、工程技术等方面可能出现的问题，先建一个概率模型或随机过程，使它的参数为问题要求的解，然后通过观察或抽样试验模型或过程来计算要求的参数的统计特征，最后给出要求的解的近似值，用估计值的标准差来表示解的精确度。1718 2.2.3 风险指标风险评估的目的关键在于建立表现系统风险的指标，根据前两项工作的结果，便可以建立系统的风险指标。通过这些风险指标，便可直观地了解到电网的可靠程度，评价系统的运行方式。风险指标综合考虑了故障在未来不确定的运行条件下发生的概率和严重程度，反映未来短时间内系统运行中可能发生的各类风险，更加全面地描述了电力系统的风险水平。具体来讲风险指标有以下特点19： (l)使安全性和经济性加以联系从风险的安全、经济两大主要因素来看，风险指标中含有不确定性事故将会产生的后果指标，该指标能够包含相应的经济因素，因此在分析结果中，能够综合安全性和经济性提出参考信息。 (2)使局部和整体加以联系风险指标具有可组合性，因而可通过计算每一个元件的风险，或每一个事故的风险，或每一个安全问题的风险，然后将这些风险综合得出系统的综合风险。（3)使时间点和时间段加以联系风险指标具有累计性，可以对未来的一个时间点的系统风险进行计算，也可以对未来的一个时间段，通过累计该时间段内的各个时间点的风险来获得该时间段内系统的风险。 (4)指示系统安全水平风险指标能够指示系统在不同的时间与空间，不同的构成形式，不同的安全问题下的安全状况，基于以上优点，因而风险指标可以作为指示器来指示系统的安全水平，从而直观地反映系统的安全水平。 (5)开放的分析决策支持平台风险指标包含安全与经济两方面的信息，并可以通过各种合适的形式来表达，因此其兼容性很好，可以方便地与其它安全分析或经济分析方法兼容，再通过综合比较，为决策人员提供有力的决策支持。2.3 风险评估的优点在电力系统的安全评估中应用风险评估方法是对确定性安全评估法的扩展。风险评估方法能够反映电力系统的安全性随时间瞬时变化而变化的实际情况，而且能够定量地反映出系统的安全状态。相比较于确定性的安全评估方法，风险评估方法有以下优点20：(l)更好的使安全性和经济性加以联系。通过风险指标可以衡量不确定性事故所产生的经济性后果，因此可以从经济角度对系统的安全性进行分析。(2)风险指标最基本的应用是利用现有的相关信息来决定未来几分钟、几小时乃至几周的情况，因而风险指标可以用来对系统的状态进行指示。(3)风险可以组合。风险是根据每一个安全问题、每一起事故和每一个元件计算的，因此可以把对每个元件的风险分析组合成对整体的风险评估。(4)风险可以累计。如果能按照时间顺序提供一个连续的运行状况曲线，就可以计算每一个运行状况的风险指标，然后再将其累计成规定时间范围内总的风险评估。3 城市电网风险评估方法 风险指标是一个风险的量的判断，其大小直接反映了风险的多少。所以，如何设定能真正反应系统风险状态的风险指标，是风险评估的核心。以下内容介绍了如何运用熵权法，状态持续时间抽样法，表格法来求取风险指标的原理和过程，并且给出具体算例。其中状态持续时间抽样法比较易于计算实际情况中的可靠性频率指标、更易于考虑各种状态持续时间的分布情况、可用于计算可靠性指标统计概率分布情况，但是需要很大的储存容量和计算时间，同时需要很长的时间来储存相关信息，这些信息涉及到元件按时间顺序的状态转移过程。该方法需要有与其他所有元件状态持续时间的分布相关联的参数。即使假定只有简单的指数分布，也必须要求有每一个元件状态与状态间的所有转移率。在某些情况下，尤其是对于多状态元件的模型，现实中系统很难提供出所有相关的数据。熵权法和表格法的计算时间相对较少，对于原始数据的要求也比较少，但相对于熵权法，表格法计算速度更快，如果对于精度要求较低，则应选用表格法来评估系统风险。3.1 状态持续时间抽样法 状态持续时间抽样法是按照时序，在一个时间跨度上进行的模拟其中对建立虚拟系统状态转循环过程有不同的方法。最通用的是状态时间抽样法21。 3.1.1 状态持续时间抽样法步骤 状态持续时间抽样法是基于对元件状态持续时间的概率分布进行抽样，它分为以下几步2223： 第一步：指定所有元件的初始状态，通常是假设所有元件开始处于运行状态。 第二步：对每一元件停留在当前状态的持续时间进行抽样。应当设定状态持续时间的概率分布。对不同状态，在运行或修复过程中，假设有不同状态持续时间概率分布。例如，下式给出指数分布的状态持续时间抽样值： 式中，Ri是对应于第 i 个元件在0,1区间均匀分布的随机数。如果当前状态是运行，则i是第i个元件的失效率；而如果当前状态时停运。则i 是第i个元件的修复率； 第三步：在研究的时间跨度内重复第二步，并记录所有元件每一状态持续时间抽样值，则可获得给定时间跨度内每一元件的时序状态转移过程。 第四步：组合所有元件的状态转移过程，建立系统时序状态转移循环过程。 第五步：通过对每一个不同系统状态的分析，计算风险指标函数。由于系统失效状态的发生，他们的持续时间以及后果都能被清楚地确定并记录在系统状态转移循环过程中，因此系统风险指标的计算简单直观。 计算风险指标的通用公式： （1）系统失效概率： （2）系统失效频率： （3）平均持续时间： 式中： Ddk 是第 k 个停运状态的持续时间； Duj 是第 j 个运行状态的持续时间；Mdn 和Mup 分别为在模拟时间跨度内系统失效和运行状态出现次数。除非失效或运行状态在抽样跨度末被截尾，否则这两个被抽取的状态数一般是相同的24。 （4）负荷削减概率： 式中，n(s)是抽样中s状态发生数；Ni是抽样总数；Fi是多极负荷模型中第i级负荷水平下系统失效状态的集合；Ti是第i负荷水平的时间长度；T 是负荷曲线的总时间期间；NL是负荷水平分级数25。 （5）期望缺供电量： NL ：负荷水平分级数； n(s) 是抽样 S 状态发生数； Ni 抽样总数； Fi 是多级负荷模型中第i级负荷水平下系统失效状态的集合； Ti 是第 i 级负荷水平的时间长度(h)；c(s) 是状态 S 的负荷削减量26 （6）期望负荷削减频率： 式中，j 是元件离开状态 s 得第 j 个转移率；m(s)是离开状态 s 的转移率总数。 （7）负荷削减平均持续时间： 3.1.2 算例分析 本文以某地区电网为例子，研究并验证上述风险评估方法，其 220500kV部分基本电气接线见图 3-1。 图 3-1 某地区电网 220500kV部分基本电气接线表3-1 某市线路失效率（y：年）线路自身失效相关失效线路自身失效相关失效线路自身失效相关失效线路自身失效相关失效501-5020.1530.082202-2220.0780.012205-2060.0110.001216-2210.0420.006502-5030.0290.016203-2040.010.001208-2070.020.003216-2170.0090.001210-2110.0070.001213-2210.0370.006215-2210.0410.006218-2190.3390.052表3-2 某市电网风险评估模拟结果电压等级/kVPCEENS/MWh风险产生主要元件风险产生主要事件220498211的1#，2#主变N-1和N-2事件500239501的1#，2#主变N-1事件对于共因停运的状态，除了连锁故障以外，只计算到 N-2 事件(大部分情况下 N-2 组合事件发生的概率非常低)。双回线共因停运时，变电站元件组的共因停运和连锁共因停运状况下主要计算500kV 和220kV 系统中产生的停运事件。用某地区 20072008 年 SCADA 负荷数据来作为2009 年的负荷预测基础数据，故障数据、计划停运数据通过实际情况下的统计数据计算得出。电网结构使用 2008年某地区网架结构。算例用蒙特卡洛法随机抽取各点的负荷曲线中的各种负荷组合。对应每种负荷水平来计算各种不同的状态，其中包括正常运行状态及各种停运状态。220500kV 电网使用直流潮流计算进行模拟。模拟结果见表3-2。模拟结果显示若网络结依旧保持在2008年的水平，2009年某地区电网风险将主要集中于501地区，这是由于该地区所接的地方电源比较多，当地方电源发电不充足的情况下，该地的供电能力不足，从而导致了停电风险水平的提高。在高峰负荷时，该地区内的分变压器就算不出现故障，也是处在过载运行的状态，并且持续较长时间的过载运行状态，如果处于 N-l状态则会造成更大的停电损失。501 地区风险水平比较高的另一个重要原因是该分区里有很多重要用户。根据风险分析的结果可以看出，2009 年有必要在 501 地区内进一步加强电网建设，例如变电站增容、新增加220kV 变电站与增设新的供电线路等。 3.2 熵权法 3.2.1 获取风险指标 决定风险值的因素：停电概率 x 、相对期望缺供电量 y(MW)、故障恢复速度（z MW /h）。 把每次事故对城市造成影响分为 A：经济损失；B：环境破坏；C：社会影响；D：市政管理；E：幸福指数五个方面。而x，y，z 对城市的 5 种影响程度不尽相同。因此用熵值法来度量信息量，得到x，y，z对城市五方面综合影响的一个权重。 有 5 个评估指标，3 个评价对象，按照定性与定量相结合原则取得多个对象关于多指标的评价矩阵： 对R做标准化处理得到： 式中，称为第 j个评价对象在指标之上的值。 又： 且： 则评价指标的熵为，在有 3个评价指标，5个评价对象评估问题中，第i个评价指标的熵定义为： 当： 时： 在(5，3)评价问题中，第i个指标的熵权。定义为： （1）各被评价对象在指标 j上的值完全相同时，熵值达到最大值 1，此时熵权为零。这也就意味着该指标未向决策者提供任何有用信息，可以考虑取消该指标。 （2）当各被评价对象在指标 j上的值相差很大时，熵值较小、熵权较大时说明该指标向决策者提供了有用信息。还说明在该问题中，各对象在该指标上有明显差异，应该重点考察。 （3）熵权大小与被评价对象有直接关系。 并且满足： 当被评价对象确定以后，还可根据熵权对评价指标进行调整，以利于做出更为精确、可靠的评价。同时也可以利用熵权对某些指标评价值的精度进行调整，必要时，重新确定评价值和精度27。3.2.2 算例分析 本文以 IEEE30 节点电网为例子，研究并验证上述的风险算法。 图 3-2 IEEE30 节点电网接线图图 3-3 电网风险评估结果算例，用蒙特卡洛法对各个节点和线路分别多次抽样得到电网系统的各种状态，对于缺负荷量相近并且出现次数较多的故障状态采用直流潮流计算进行模拟，通过熵权法得出风险值：rv=55x+43y/stlz其中stl(MW)为电网系统的总负荷量。 以两万次计算为例子，如图 3-3 所示，风险值为负值时相当于0 风险。26 节点处风险最大，次之为节点 5，再其次为节点 13。故障较多发生在 5，26 节点处，26 节点出虽然重要程度较低，但故障发生次数却很多，因此节点 26 处的风险要比节点 5 处的高。13 节点处对负荷的损失不产生影响，但故障率并不低高，对电网的稳定运行产生了影响。虽然 30节点处重要程度非常高，但故障率很低，风险较小。所以节点 26处需要改进马上改进。节点 26处本身可靠性相对较低，但提高 26 节点处可靠性的代价太高，所以可考虑增建新的线路。若经济状况允许，5节点处也应进行改进，5 节点处本身和周围线路的可靠性并不低，但布局不是很合理。13，30 节点处可暂时先不考虑对其的改进。 3.3 表格法 3.3.1 获取风险指标 决定风险值的因素：停电概率 x、相对期望缺缺供电量 y(MW)、故障恢复速度z(MW/ h) 。 表 3-3 x、y、z 分别对城市的影响系数每次事故对于城市产生的影响有 A：经济损失；B：环境破坏；C：社会影响；D：市政管理；E：幸福指数等五个方面。用表格法分析相对期望缺供电量对这五个方面的不同影响，得出一个影响分。标准化这五个分后，将其相加得出相对期望缺供电量对五个方面的整体影响，也就是其对城市的影响。由此可以得出停电的频率与故障恢复速度对城市造成的影响。以表 3-3 为例：B 于 A同级记为 BA；B 比 A 高 1 级记为 B2。以此类推，令各因素将所在行，列的自己得分相加得到各因素得分。例如，C 的列上 C 未出现，而在行上有 CD 则 C 得 1 分，有 C2 则 C 又得两分，因此 C 总分为0+1+2=3。再以得分最高者的分数为标准，记为参照分 10分，其它因素类比得到标准分。再依次评定x、y、z对各因素影响，得到斜线左方的分数。令左方分数乘以标准得分，得到各可靠性指标对影响城市各个决定因素影响的分值写入斜线右侧，求和得到各可靠性指标对城市的影响28。 最后用公式rv=x+y stlz求得风险指标，stl(MW)为系统总负荷量、为停电的频率对城市的影响系数、 为相对期望缺供电量对城市的影响系数、为故障恢复速度对城市的影响。3.3.2 算例分析 本文以 IEEE-30节点电网为例子，研究并验证上述风险算法，如图 3-2 所示。图 3-4 电网风险评估结果算例，用蒙特卡洛法对各个节点和线路分别多次抽样得到电网系统的各种状态，对相对缺负荷量相近且出现次数较多的故障状态采用直流潮流进行模拟计算，以两万次计算为例子，如图 3-4所示，风险值为负值时相当于0 风险。26 节点处风险最大，次之为节点 5，再其次为节点 13。故障较多发生在 5，26 节点处，26 节点出虽然重要程度较低，但故障发生次数却很多，因此节点 26 处的风险要比节点 5 处的高。13 节点处对负荷的损失不产生影响，但故障率并不低高，对电网的稳定运行产生了影响。虽然 30节点处重要程度非常高，但故障率很低，风险较小。所以节点 26处需要改进马上改进。节点 26处本身可靠性相对较低，但提高 26 节点处可靠性的代价太高，所以可考虑增建新的线路。若经济状况允许，5节点处也应进行改进，5 节点处本身和周围线路的可靠性并不低，但布局不是很合理。13，30 节点处可暂时先不考虑对其的改进。 4 结论随着社会经济的快速发展,电网向着超高压乃至特高压的远距离输电方向飞速发展,电网的规模越来越庞大,结构也越来越复杂。大型电网输电给社会带来了巨大的便利性和经济利益,但与此同时电力系统中潜在的风险也随之变大。人们对电力系统的规划、运行和维修等各方面工作都面临着巨大的挑战。因此,确保电力系统安全稳定运行已经成为近些年国内外极为重视的问题,电力系统的安全稳定运行的评估方法也已成了电力行业内部人士最为关注的研究课题。本文首先介绍了电网安全评估的发展过程,将系统运行风险评估的概念引入。面对城市电网调度的需要,提出对城市电网进行系统风险评估的方法。基于系统运行风险评估的实时性的特点，决定了它必须建立在精确的实时元件停运模型的基础上。本文建立元件停运模型时将其与设备状态评估相结合,更大程度的确保了模型的实时性,使之与电网在实际运行中的情况更加符合,从而使求得的风险指标更具有指导意义。要想使电网的运行风险反映的更加准确,则必须要建立更加精确的实时元件停运模型,这也将成为今后的研究方向。参考文献1 Kosterev D N, Taylor C W, Mittelstadt W A. Model validation for the August 10.1996 WSCC system outage J.IEEE Trans on Power Systems, 1999, 14(3): 967-979.2 U.